Umwandeln statt abschalten

Hightech-Strategie Umwandeln statt abschalten

Wie kann die zeitweise überschüssige Energie aus Wind- und Solaranlagen sinnvoll genutzt werden? Diese relativ neue Frage ist Thema für die Forschung. Und Teil der Zukunftsaufgabe "Nachhaltiges Wirtschaften und Energie" der neuen Hightech-Strategie der Bundesregierung.

Energieforschung am Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg

Foto: ZSW

Wind- oder Solaranlagen liefern mal mehr und mal weniger Strom. Inzwischen produzieren sie aber so viel, dass eine Überlastung der Stromnetze droht. Um das zu verhindern, müssen einige sogar zeitweise abgeschaltet werden. Nicht genutzte Energie bedeutet jedoch verschenkte Energie. Diese Verluste können wir uns für eine sichere und bezahlbare Energieversorgung nicht leisten. Die Bundesregierung fördert deshalb mehrere Forschungsprojekte zur Erprobung der Power-to-Gas-Technologie ("Strom zu Gas"). Sie bietet die Möglichkeit, überschüssige Erneuerbare Energie in Gas umzuwandeln und so zu speichern.

Wasserstoff und Methan aus Erneuerbaren Energien

Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) testet in Versuchsanlagen, wie die neue Technologie in den Strom- und Wärmemarkt sowie im Verkehr eingebunden werden kann. In den Anlagen unterschiedlicher Größe wird zunächst elektrische in chemische Energie umgewandelt. Ein elektro-chemisches Verfahren (Elektrolyse) spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Der zeitweise nicht benötigte Strom aus erneuerbaren Energien deckt den Strombedarf für diesen Vorgang.

In einem zweiten Schritt, der so genannten Methanisierung, wird zum Wasserstoff Kohlendioxid (CO2) zugeführt und es entsteht synthetisches Erdgas (Methan). Sowohl Wasserstoff als auch Methan sind Gase, die gut gespeichert und transportiert werden können. Schon 2013 war es den Stuttgarter Forschern gelungen, ein besonders reines Methan in der Power-to-Gas-Anlage zu erzeugen. „Das regenerative Methan aus unserer Anlage ist so hochwertig wie russisches Erdgas“, sagt Dr. Michael Specht, Leiter des ZSW-Fachgebiets Regenerative Energieträger und Verfahren. Er ist einer der "Väter" der neuen Technologie.

Ein Beitrag zum Klimaschutz

In ihrem Projekt bieten die Forscher zwei Lösungsansätze für bisher ungelöste Probleme: Neben einer für die Wirtschaft nutzbaren Form zur Speicherung erneuerbarer Energie entwickeln sie eine Methode, um Kohlendioxid sinnvoll zu nutzen. Sie verwenden das klimaschädliche Gas für die Herstellung von Methan.

Das so entstandene Methan bzw. synthetische Erdgas lässt sich über Monate verlustfrei im Erdgasnetz speichern, um bei Stromknappheit wieder zurück verstromt zu werden. Es kann aber auch direkt genutzt werden, etwa in Wohnhäusern, in Blockheizkraftwerken oder in der Industrie. Als Kraftstoff für den CO2-neutralen Antrieb von Erdgasautos kann das Gas sogar den entscheidenden Beitrag zur Energiewende im Verkehr leisten. Am Ende bleibt es immer Energie aus erneuerbaren Quellen.

Die Grafik zeigt, wie aus ungenutzter Erneuerbarer Energie Gas gewonnen wird.

Die Power-to-Gas-Technologie

Foto: ZSW

Auf dem Weg in die Praxis

Die Power-to-Gas-Technologie selbst erfordert weder nennenswerte Investitionen in die bestehende Infrastruktur noch Eingriffe in die Landschaft. Es läuft nahezu geräuschlos ab und verursacht keine Emissionen. Vom ZSW werden erfolgreich zwei Demonstrationsanlagen betreut: eine 25 Kilowatt Anlage und eine Anlage mit 250 Kilowatt elektrischer Anschlussleistung.

"Die größere Anlage arbeitet dynamisch und bedarfsorientiert. Im Gegensatz zur ersten Anlage kann sie noch flexibler auf das rasch wechselnde Stromangebot aus Wind und Sonne und auf plötzliche Unterbrechungen reagieren", erklärt Dr. Michael Specht vom ZSW.

Wichtige Hürden auf dem Weg zur Marktfähigkeit der Power-to-Gas-Technologie wurden bereits überwunden. Die größere 250-Kilowatt-Forschungsanlage war bei der möglichen Methanproduktion zehnmal leistungsstärker als die drei Jahre zuvor entstandene Versuchsanlage. Die produzierte Gasmenge würde nun theoretisch ausreichen, um damit 80 gut wärmegedämmte Einfamilienhäuser ein Jahr lang zu beheizen oder rund 1,5 Millionen Kilometer mit einem Erdgasfahrzeug zurückzulegen. Würde die Gasmenge wieder in Strom umgewandelt (Rückverstromung), könnte damit der tägliche Strombedarf von circa 100 Haushalten gedeckt werden.

Die Bundesregierung hat das Verbundprojekt mit rund 3,3 Millionen Euro über die Laufzeit von April 2011 bis März 2014 gefördert.
Seit Oktober 2014 geht es in dem Nachfolgeprojekt PtG 250 II vor allem um die Automatisierung der Stuttgarter Power-to-Gas-Anlage. Dazu werden wirtschaftlich darstellbare Einsatzfahrpläne mittels Strompreissimulation in Zukunftsszenarien mit einem steigenden Anteil an erneuerbaren Energien im Stromnetz generiert und mit der Anlage getestet. Außerdem soll eine kostengünstige, vereinfachte Gaseinspeisung für dezentrale PtG-Anlagen konzipiert werden – ein weiterer Faktor für einen wirtschaftlichen PtG-Betrieb.

Industrielle Partner einbinden

Um die Technologie wirtschaftlich in den Markt zu überführen, wurde inzwischen im niedersächsischen Werlte eine Anlage mit 6 Megawatt, also 6.000 Kilowatt elektrischer Anschlussleistung, gebaut.

Die Stuttgarter Forscher haben mit Audi einen Partner gefunden, der die bisherigen Forschungsergebnisse in einen industriellen Maßstab übertrug. Bereits seit einem Jahr speist die Anlage Gas ins Erdgasnetz ein. Pro Jahr produziert die Audi e-gas-Anlage etwa 1.000 Tonnen Gas und bindet dabei zirka 2.800 Tonnen CO2. Das entspricht etwa der Menge, die ein Wald mit über 220.000 Buchen im Jahr aufnimmt. Als Nebenprodukte fallen lediglich Wasser und Sauerstoff an.

Seit Februar 2014 ist der neue Audi A3 g-tron auf dem Markt, der wahlweise mit Benzin oder dem von Audi hergestellten e-Gas betankt werden kann. Im reinen e-Gasbetrieb fährt das neue Automodell CO2-neutral. Audi erfasst die Gasmengen, die der Kunde mit einer speziellen Audi e-gas Tankkarte bezahlt und stellt sicher, dass genau diese Menge an Audi e-gas in das deutsche Erdgasnetz eingespeist wird.

Dynamisch und am Bedarf orientiert

Auch in der 6-MW-Anlage wird über Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Dabei kommt die zeitweise überschüssige elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen zum Einsatz. Weiterhin gehören eine Methanisierungseinheit sowie das Prozessleitsystem für die Steuerung und Regelung dazu.

Der Wirkungsgrad beträgt derzeit 60 Prozent, das heißt: nur 60 Prozent der im Strom gebundenen Energie lässt sich in Methan speichern. Eine erneute Verstromung senkt den Wirkungsgrad von Strom zu Strom auf 35 Prozent. Doch wird die überschüssige Energie aus Sonne und Wind nicht genutzt, wäre sie völlig verloren. Der Wirkungsgrad kann noch beträchtlich steigen, wenn auch die Abwärme genutzt wird.

Das Power-to-Gas-Konzept des ZSW sieht außerdem eine kaskadenartige Nutzung je nach Energiebedarf vor, um Wirkungsgradverluste möglichst gering zu halten:

  • Bei Stromüberschuss wird die Anlage angefahren und erzeugt Wasserstoff.
  • Wenn keine Nachfrage nach Wasserstoff (z.B. für Brennstoffzellenfahrzeuge) besteht, erfolgt die Methanisierung.
  • Sofern die Verbraucher das Methan nicht umgehend benötigen, wird es gespeichert (z. B. im Erdgasnetz).
  • Erst bei Stromknappheit, wird das Gas als letzte Maßnahme des Prozesses rückverstromt.

Die Forschung arbeitet indessen weiter an der Verbesserung der Wirkungsgrade, ebenso an Lösungen, wie Power-to-Gas noch wirtschaftlicher werden kann.

Kombination mit Biogasanlagen

Woher kommt das Kohlendioxid für den Prozess? Nutzbar ist zum Beispiel das CO2 aus Biogasanlagen, der Bioethanol-Herstellung, aus der chemischen Industrie oder allen anderen Prozessen, bei denen CO2 in größerer Menge entsteht und ausgestoßen wird.

Welche CO2-Quellen am besten geeignet sind hinsichtlich Verfügbarkeit, Erzeugungspotenzial, Wirtschaftlichkeit und Kosten ist ebenfalls Gegenstand aktueller Forschungsarbeit. Das ZSW legt besonderen Wert auf Kohlendioxid aus biogenen Quellen, um am Ende umweltfreundliches, sprich CO2-neutrales Methan erzeugen zu können.

Mit den bisher vorliegenden Forschungsergebnissen könnte die Power-to-Gas-Technologie ein wesentlicher Baustein auf dem Weg ins erneuerbare Energiezeitalter nach 2020 sein.

Verbundprojekt "Power-to-Gas": Errichtung und Betrieb von Forschungsanlagen zur Speicherung von erneuerbarem Strom als erneuerbares Methan (FKZ 035275)
Projektpartner und Aufgaben:
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW):
• Planung und Aufbau der Power-to-Gas-Forschungsanlage,
• Versuchsbetrieb der Anlage; Anlagen- und Betriebsoptimierung.
Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES:
• Technische, volkswirtschaftliche und ökologische Analyse und Bewertung der Power-to-Gas-Technologie.
ETOGAS GmbH:
• Wirtschaftlichkeitsanalysen für Power-to-Gas-Anlagen in heutigen und zukünftigen Energie-Szenarien.

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